МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ ПРИ УТИЛИЗАЦИИ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОГО ТЕПЛА НА ОБЪЕКТАХ ПОДГОТОВКИ НЕФТИ

На объектах добычи и подготовки нефти одновременно существуют значительные потребности в тепловой энергии и технологические потоки, содержащие низкопотенциальное тепло, которое в традиционных схемах не используется.

К таким источникам относятся подтоварная вода, артезианская вода, технологические контуры системы поддержания пластового давления, нефтепроводы, вентиляционные выбросы и другие среды с температурой выше температуры окружающего воздуха.

При этом отопление производственных, административно-бытовых и технологических помещений часто осуществляется посредством прямого электрического нагрева. Коэффициент преобразования электрической энергии в полезную теплоту такой системы близок к единице.

Применение теплового насоса позволяет изменить энергетический баланс: электрическая энергия используется преимущественно для привода компрессора, тогда как основная часть полезной теплоты переносится от низкопотенциального источника.

Целью работы является формирование методики оценки фактической эффективности теплонасосных установок на нефтегазовых объектах и определение условий, при которых использование технологического низкопотенциального тепла обеспечивает максимальный энергетический эффект.

В рамках освоения технологии тепловые насосы внедрены на четырех объектах. Различие температур источников позволяет оценить влияние температурного напора между источником и потребителем на фактическую эффективность теплонасосной установки.

Показатель	Объект А	Объект Б
Мощность ТН, кВт	30	20
Источник	Подтоварная вода	Товарная нефть
Температура источника, °C	+30…+40	+10…+20
Потребитель	Водяное отопление	Фанкойлы

 

Основным показателем является фактический коэффициент преобразования COP:

COPф = Qтн / Nэл,

где Qтн — полезная тепловая мощность теплового насоса, кВт; Nэл — суммарная электрическая мощность теплового насоса и оборудования, включенного в принятую границу энергетического баланса, кВт.

Полезная тепловая мощность при наличии измерения расхода теплоносителя определяется по выражению:

Qтн = ρ · G · cp · (tвых − tвх) / 3600,

где ρ — плотность теплоносителя, кг/м³; G — объемный расход теплоносителя, м³/ч; cp — удельная теплоемкость теплоносителя, кДж/(кг·°C); tвых и tвх — температуры теплоносителя на выходе и входе теплового насоса, °C.

Для воды в инженерных расчетах выражение может быть упрощено:

Qтн ≈ 1,163 · G · Δt.

Для оценки работы за отопительный сезон целесообразно применять сезонный коэффициент преобразования:

SPF = ΣQтн / ΣWэл,

где ΣQтн — полезная тепловая энергия за расчетный период; ΣWэл — фактически потребленная электроэнергия тепловым насосом и учитываемым вспомогательным оборудованием.

При замещении прямого электрического нагрева экономия электроэнергии определяется:

ΔW = Qгод · (1/ηэл − 1/SPF).

При ηэл ≈ 1:

ΔW ≈ Qгод · (1 − 1/SPF).

Таким образом, при SPF = 4 теоретическое сокращение электропотребления относительно прямого электрообогрева приближается к 75%.

Для сопоставления фактической работы установки с предельно достижимой эффективностью может использоваться COP идеального цикла Карно:

COPКарно = Tк / (Tк − Tи),

где Tк — абсолютная температура конденсации хладагента, К; Tи — абсолютная температура испарения, К.

Отношение ηцикла = COPф / COPКарно характеризует степень термодинамического совершенства реальной теплонасосной установки.

При наличии измерений давления и температуры хладагента до и после компрессора дополнительно определяется его изоэнтропический КПД:

ηis = (h2s − h1) / (h2 − h1),

где h1 — энтальпия хладагента на входе компрессора; h2 — энтальпия после фактического сжатия; h2s — энтальпия после изоэнтропического сжатия до давления нагнетания.

Данный показатель позволяет отделить ухудшение характеристик собственно компрессора от снижения COP, обусловленного изменением температурного режима теплообменников.

Для подтверждения фактической эффективности теплонасосная установка должна быть оборудована средствами измерения:

• расхода теплоносителя в контуре потребителя;
• температуры теплоносителя на входе и выходе;
• электрической энергии компрессора;
• электрической энергии циркуляционных насосов и другого вспомогательного оборудования;
• времени работы установки;
• при углубленной диагностике — давления и температуры хладагента на всасывании и нагнетании.

Расчет COP только по паспортным характеристикам оборудования не позволяет достоверно оценить фактический энергетический эффект.

Особенно важно разграничивать COP самого теплового насоса и COP системы в целом, в который входит энергопотребление циркуляционных насосов, автоматики, электрообогрева и другого вспомогательного оборудования.

Наиболее высокий эффект получен на объекте с использованием в качестве источника тепла технологического контура системы ППД с температурой среды порядка +40…45 °C.

Замещение электрических нагревателей позволило снизить потребление электроэнергии приблизительно на 75%. Полученному эффекту соответствует фактический коэффициент преобразования около 3,9.

Результат подтверждает ключевое влияние температурного напора между источником низкопотенциального тепла и потребителем.

Чем выше температура источника и чем ниже требуемая температура системы теплоснабжения, тем меньше работа компрессора и выше COP.

Поэтому применение тепловых насосов наиболее целесообразно в сочетании с низкотемпературными системами отопления: воздушным отоплением, фанкойлами, теплыми полами и водяными системами с пониженным температурным графиком.

По результатам эксплуатации сформированы основные условия эффективного применения технологии:

1. наличие стабильного источника низкопотенциального тепла в отопительный период;

2. достаточный расход среды и стабильность ее температуры;

3. минимально возможное расстояние между источником и потребителем;

4. длительная годовая загрузка системы;

5. низкотемпературный график потребителя;

6. возможность подключения через промежуточный теплообменник без влияния на основной технологический процесс;

7. наличие резервной системы теплоснабжения;

8. наличие полного приборного учета.

Первичный отбор объектов целесообразно проводить не только по величине доступного теплового потока, но и по температурному потенциалу источника и требуемой температуре потребителя.

Применение тепловых насосов на объектах подготовки нефти позволяет включить ранее неиспользуемую тепловую энергию технологических потоков в полезный энергетический баланс предприятия.

Наиболее значимым фактором эффективности является температурный напор между источником и потребителем. Применение источника с температурой +40…45 °C позволило достичь COP около 3,9 и сократить потребление электроэнергии на отопление приблизительно на 75% относительно прямого электрического нагрева.

Для объективной оценки эффективности необходимо отказаться от оценки только по паспортному COP и перейти к расчету фактического COP и сезонного SPF на основании приборного учета.

Предложенная система показателей позволяет сравнивать различные теплонасосные установки, диагностировать причины снижения эффективности и использовать результаты эксплуатации для ранжирования последующих объектов внедрения.

Полученные результаты создают основу для формирования корпоративной методики оценки, проектирования и мониторинга теплонасосных установок на объектах нефтегазодобычи.